Förderprojekt TurboWind

  Urheberrecht: © W2E Wind to Energy, 2020

Adaptive Robuste Regelung von Windenergieanlagen auf Basis einer geschätzten Turbulenzintensität

 

Motivation

Die Windenergienutzung ist die Schlüsseltechnologie, um die Stromerzeugung in Deutschland auf erneuerbare Energien umzustellen. Mit zunehmendem Marktanteil und verringerter Förderung für Windstrom werden deren Stromgestehungskosten zukünftig wesentlichen Einfluss auf die Strompreise der Verbraucher nehmen. Ein Hebel zur Reduktion der Stromgestehungskosten von Windenergieanlagen ist die Verringerung des Materialeinsatzes und die Erhöhung der Lebensdauer, indem insbesondere die dynamische mechanische Belastung von Rotor und Turm durch regelungstechnische Eingriffe reduziert werden. Durch weitere, zukünftig zu erwartenden regulatorischen Anforderungen an Windenergieanlagen, wie beispielsweise der netzstützende Betrieb, werden daher herkömmliche Regelungsstrategien nicht mehr ausreichend sein.

Eine Lösung stellt eine moderne, modellprädiktive Regelung (MPR) dar, bei der simultan mehrere Kriterien innerhalb einer Kostenfunktion gewichtet und so betriebspunktabhängig optimale Stellgrößen vorgegeben werden. Bei dieser Regelungsmethodik wird dazu ein dynamisches, mathematisches Modell der Anlage verwendet, um das Verhalten und damit die zukünftigen Verläufe der Betriebsgrößen innerhalb der Regelung zu prädizieren. Dadurch besteht die Möglichkeit, proaktiv auf zukünftige Bedingungen zu agieren. Ebenfalls ist eine direkte Berücksichtigung von Betriebsbeschränkungen innerhalb der MPR möglich. Weiterhin kann in den Kriterien der Regelung die Windsituation explizit berücksichtigt werden, was die Erschließung schwieriger Standorte erleichtert, in denen z. B. ein stark fluktuierender oder generell schwacher Wind vorherrscht.

Im Vergleich zu konventionellen Regelungsstrategien, wie sie seit einigen Jahrzenten überall auf der Welt eingesetzt werden, entspricht das einer technischen Revolution. Durch die völlige Neuentwicklung kann die Akzeptanz in der Branche allerdings nur durch experimentelle Demonstrationen erreicht werden, um die hohen technologischen und damit wirtschaftlichen Risiken zu überwiegen.

 

Projektziele und Methoden

Das Gesamtziel des Projektes ist es, den prototypischen Einsatz moderner modellbasierter Regelungsverfahren auf realen Windenergieanlagen zu ermöglichen.

In diesem Vorhaben soll dazu in umfangreichen Praxistests untersucht werden, welche Auswirkungen die einzelnen Zielkriterien auf die Regelung haben und wie stark diese jeweils gewichtet werden können, sodass ein robust-stabiles Verhalten resultiert. Dazu wird eine Prototypen-Windenergieanlage von W2E mit einer Leistung von 3 MW genutzt und ein entsprechendes Konzept zur sicheren Betriebsführung während der Regelungstests entwickelt. Auf Basis der Vorergebnisse wird ein adaptives, robustes Regelungsverfahren implementiert, welches den vollständigen Betriebsbereich aktueller Windenergieanlagen abdeckt. Anschließend wird der Regelungsansatz anhand iterativer Tests zunächst simulativ und schließlich experimentell auf einer realen Windenergieanlage analysiert.

Durch dieses Vorgehen wird zunächst ein direkter Vergleich zwischen klassischer und optimierter MPR-basierter Regelung möglich. Weiterhin kann das adaptive Regelungskonzept und die Turbulenzschätzung optimiert und anhand der experimentellen Messdaten verbessert werden, sodass das Regelungs-konzept alle relevanten Betriebsbereiche abdeckt.

 

Innovationen und Perspektiven

In diesem Projekt werden die folgenden wissenschaftlichen und technologischen Teilziele angestrebt:

• Entwicklung verbesserter strukturdynamischer Modelle zur Erzielung einer höheren Prädiktionsgenauigkeit auch bei suboptimalen Umgebungsbedingungen
• Erweiterung einer bestehenden modellprädiktiven Regelung hin zu einem adaptiven, robusten Multikriterien-Regelungsverfahren für den kompletten Betriebsbereich einer Windenergieanlage (Volllast-, Teillast- und Übergangsbereich)
• Optimierung und Erweiterung einer Schätzung der aktuellen Betriebssituation, insbesondere der zeit- und örtlich aufgelösten Windgeschwindigkeit und Turbulenzintensität
• Entwurf und Umsetzung eines Hardware-in-the-Loop Teststands auf Basis eines Simulations-rechners und industrieller Steuerungen (SPS) zur Realisierung eines sicheren Testumfelds und zur Sicherstellung eines durchgängigen Reglerentwurfverfahrens
• Konzeptionierung eines Safety- und Betriebsführungskonzepts zur sicheren Durchführung experimenteller Regelungstests an einer WEA und für den späteren produktiven Einsatz
• Darauf aufbauende Integration der Regelalgorithmen auf einer bestehenden Prototypen-Anlage mit 3 MW und der Integration eines entsprechenden Sensorkonzeptes zur Datenaufbereitung
• Durchführung experimenteller Messkampagnen zur Optimierung und Bewertung des Verbesserungspotentials hinsichtlich der notwendigen Modelltiefe, Parametrierung, Gewichtungsfaktoren und notwendiger Sensorik

Im Anschluss an das Projekt steht somit einerseits ein adaptives Regelungskonzept auf Basis einer Turbulenzschätzung zur Verfügung, welche sowohl für die Nachrüstung bereits bestehender Anlagen als auch innerhalb Neuentwicklungen integriert werden kann. Weiterhin können die Erkenntnisse einer ausführlichen Auswertung experimenteller Regelungstests und entsprechender Vergleiche zur Verbesserung der Genauigkeit zukünftiger Simulationsstudien genutzt werden.

 

Projektpartner
W2E Wind to Energy GmbH